Gestione di periferici e file

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1 Gestione di periferici e file Dispositivi di I/O Gestore di sottosistemi di I/O: esiste una differenza concettuale tra i compiti di un gestore di CPU o memoria e un gestore di un sottosistema di I/O. I gestori di memoria e CPU servono per virtualizzare la risorsa, mentre un gestore di I/O deve soltanto preoccuparsi di assegnare la risorsa. Un processo per tutta la sua vita avrà bisogno di CPU e memoria, ma solo saltuariamente avrà bisogno di dispositivi di I/O.

2 Gestore di I/O Ad un processo si assegnano sempre e comunque CPU e memoria, mentre non gli si assegna un dispositivo di I/O se non ne fa esplicita richiesta. Strategie di allocazione e revoca dei dispositivi diverse a seconda del tipo. In genere un dispositivo di I/O è considerato come risorsa non preemptable, cioè viene assegnato al processo finché questi non ha terminato. minore flessibilità. Gestori di I/O Devono mascherare all utente i problemi HW legati al dispositivo. Devono appiattire il più possibile le differenze tra i dispositivi (es. floppy e hard disk). Devono gestire le interruzioni provenienti dai dispositivi. Devono essere in grado di gestire errori e/o malfunzionamenti. Devono fornire un insieme di comandi per poter operare in modo efficace con i periferici.

3 Architettura HW di riferimento Dispositivi a blocchi: servono per memorizzare informazioni in blocchi di dimensione fisica specificata: da 128 a 2kB. Ogni blocco può essere riferito indipendentemente dagli altri blocchi (accesso casuale). Dispositivi a carattere: Inviano o accettano stringhe di caratteri. Il flusso di byte non può essere alterato nell ordine. Dispositivi speciali: Ad esempio il clock. Non è caratterizzato da blocchi indirizzabili e non può accettare o mandare stringhe di caratteri; può essere programmato per generare interruzioni. Controller Doppia interfaccia: dispositivo controller (a parallelismo proprio del dispositivo). controller bus (a parallelismo proprio del bus -> uguale per tutti i controller). dispositivo segnali stato registri controllo stato comandi stato CPU memoria dati buffer dati parallelismo del dispositivo parallelismo del bus

4 Controller La CPU scrive nel registro di controllo: nel registro di controllo c è un bit per abilitare le interruzioni (quando il dispositivo ha finito manda un interruzione). I registri possono essere visti memory mapped o I/O mapped. Il dispositivo esegue il compito e scrive nel registro di stato delle informazioni riguardanti l operazione che ha eseguito. nel registro di stato vi sono due bit: uno viene automaticamente settato quando il dispositivo ha terminato e l altro in caso di errore. La CPU legge il registro di stato. Architettura SW di riferimento Il sottosistema SW è costituito da componenti organizzati gerarchicamente. livello utente device independent sw device driver. gestori interrupt Le peculiarità dei dispositivi sono confinate in questi due livelli livello utente device independent sw device driver gestori interrupt

5 Architettura SW di riferimento processo esterno /*I/O*/ while(1) <attesa invio del comando> <esegue comando> <verifica l esito del comando> bit_di_flag=1; processo interno while(1) <prepara il comando> <invia il comando> do while(flag==0); <verifica l esito> Architettura SW di riferimento struct semaforo fine=0; processo interno do <prepara il comando <invia il comando wait(&fine); <verifica l esito> while(trasf_non_completato); interrupt handler /*livello kernel*/ <salvataggio stato> signal(&fine); <ripristino stato> <ritorno da interruzione> processo esterno while(1) <attesa invio del comando> <esegue il comando> <registra l esito del comando> bit_di _flag=1; /*interruzione*/

6 Device driver Il device driver è un processo di sistema attivato via interrupt e non dallo scheduler tradizionale. Conviene vedere il device driver come processo di sistema e non come parte integrante del kernel. Compiti del device driver: invia i comandi al dispositivo riceve le interruzioni gestisce gli errori gestisce la competizione sincronizza processo applicativo (utente) e dispositivi mediante bufferizzazione. I/O in Unix In Unix i device driver non sono processi di sistema ma particolari routine del nucleo. Più efficiente ma meno modulare. Due interfacce tra chiamate di sistema e i device driver: raw: trasferisce le stringhe di caratteri così come sono. cocked: (più raffinata) permette l uso del backspace. chiamate di sistema HW independent socket protocolli int. cocked block int. raw block int. cocked tty int. raw tty HW dependent interfaccia di rete block device driver character device driver

7 File system Necessità di memorizzare quantità di informazioni che non possono essere tenute in memoria centrale e che devono sopravvivere al processo che le ha generate. file: contenitore di informazioni di memoria di massa. Caratteristiche di un file system: permette di identificare univocamente un file fornisce metodi per accedere a blocchi elementari di informazioni in un file. maschera le caratteristiche fisiche dei dispositivi. realizza meccanismi di controllo. garantisce la consistenza delle informazioni. Realizzazione del file system struttura fisica del disco: disk drive: parte meccanica. disk controller: parte elettronica. settore (blocco fisico): unità di informazione che può essere letta e/o scritta (da 32 a 4096 byte). traccia (da 4 a 32 settori) superficie (da 20 a 1500 tracce) per indirizzare un settore: seek time per raggiungere la traccia e latency time per portare il settore sotto la testina. indirizzo visto come terna di numeri: numero di cilindro, numero di traccia nel cilindro e numero di settore all interno della traccia.

8 Gestione dello spazio libero Bit map: ogni blocco è rappresentato da un bit facile trovare sequenze consecutivi di blocchi liberi. la bit map deve essere tenuta in memoria per motivi di efficienza. Lista concatenata di blocchi: ogni blocco contiene la quantità massima possibile di numeri di blocchi di disco liberi non è efficiente perché devo scandire i blocchi in sequenza e non riesco facilmente ad individuare sequenze di blocchi liberi Metodi di allocazione Un file è memorizzato in blocchi logici di dimensione finita. Ogni blocco logico può contenere 1,2,... blocchi fisici. concetto di cluster ogni operazione (lettura o scrittura) riguarda blocchi logici. Allocazione contigua pregi: riduco il tempo di seek, posso avere accessi sia sequenziali sia diretti. difetti: frammentazione esterna, devono conoscere a priori la dimensione massima del file.

9 Metodi di allocazione Allocazione a lista: in ogni blocco ho l indirizzo del blocco successivo. pregi: non ho frammentazione esterna e posso allocare dinamicamente blocchi man mano che il file cresce. difetti: impossibile l accesso diretto, e se perdo un blocco della lista, perdo tutto il file. Allocazione ad indice: in un blocco di indice ho l elenco dei blocchi, in ordine, che costituiscono il file dimensione massima di un file = al numero di indirizzi che possono stare in un blocco (risolvo con l indirizzamento indiretto). risolvo il problema della frammentazione e dell accesso diretto. Metodi di accesso Metodo di accesso byte stream : modello del file: sequenza di byte. le operazioni di lettura e scrittura specificano il numero di byte che devono essere letti o scritti. puntatore alla posizione corrente (viene incrementato del numero di byte letti o scritti). Conoscendo: l indirizzo fisico del primo blocco del file, la dimensione del blocco e la posizione corrente all interno del file, è possibile risalire al blocco che si deve leggere o scrivere. Metodo di accesso append: consente di aggiungere byte alla fine di un file.

10 Metodi di accesso Metodo di accesso seek: posiziona il puntatore alla posizione corrente in un ben preciso punto del file. si usa per effettuare letture o scritture di byte non consecutivi. Organizzazione a record: il file è visto come un insieme di record, suddivisi in campi e identificati da un nome simbolico. i record possono essere a lunghezza fissa o a lunghezza variabile. Tre metodi di accesso ad alto livello fondamentali: sequenziale diretto a chiave Metodi di accesso Accesso sequenziale: Il file è visto come una successione di record cui è associata una posizione corrente. il file sequenziale è un astrazione che modella il comportamento di periferiche di tipo nastro. Accesso diretto: il file è visto come un array di record. il file ad accesso diretto modella il comportamento di periferiche ad accesso casuale (disco). Accesso a chiave: è visto logicamente come una collezione di record all interno dei quali esiste un campo chiave. il record viene identificato specificando il nome del campo chiave possono esistere più campi chiave (chiave primaria, chiave secondaria).

11 Metodi di accesso Ad una chiave primaria può corrispondere solo un record, mentre ad una chiave secondaria possono corrispondere più record. File ad indice (indexed) è usato come sinonimo di file a chiave. File sequenziale con indice è un file su cui si possono eseguire accessi a chiave ed in più vi è associato il concetto di posizione corrente. Proprietà dei file Descrittore di file: corrispondenza tra nome logico e indirizzo fisico. contiene gli attributi del file. un insieme di descrittori è un direttorio. Attributi: protezione -lunghezza record parola chiave -pos. chiav. nel rec. creatore -data creazione proprietario -data ultima modif. read only flag -numero di byte ASCII o BIN -dimensione max lock flag -versione (VMS)

12 Organizzazione del file system Un direttorio è visto come un file, identificato da un nome simbolico. Organizzazione gerarchica ad albero: tutti i nodi dell albero sono direttori e le foglie i file veri e propri. Identificazione univoca di un file = pathname. File system di Unix Non esistono limiti nel livello di annidamento dei direttori. Alcuni direttori predefiniti hanno delle funzioni specifiche indipendentemente della versione (etc, usr, etc.) Caratteristica di omogeneità: tutte le risorse del sistema sono viste come file: file ordinari direttori file speciali (dispositivi fisici). Caratteristica di trasparenza: ogni utente può accedere ad un dispositivo allo stesso modo in cui accede a un file.

13 File system di Unix Un riferimento ad un file può essere fatto in due modi: riferimento relativo (riferito al direttorio corrente). riferimento assoluto (riferito al direttorio radice). Ad ogni file è associato un solo descrittore (i-node), identificato da un indice di tabella (i-number). Ad ogni file possono essere associati più nomi simbolici (linking) Convenzioni:. direttorio corrente.. direttorio padre. Protezioni Multiutenza: username e password classificazione degli utenti in gruppi. Esempio: username anna [user_id:1234], group [group_id:22] Ad ogni file è associato il nome dell utente che lo ha creato e quello del gruppo. Tre modalità di accesso: lettura, scrittura ed esecuzione. 12 bit di protezione per i file: RWX RWX RWX User Group Other suid sgid sticky

14 Protezioni I tre bit più significativi hanno senso solo per file eseguibili: suid: set user id sgid: set group id sticky: save text image bit File eseguibili che contengono codice che può essere eseguito, generando un processo a cui viene assegnato dinamicamente l uid e il gid del proprietario del file (es: posso essere temporaneamente root). Normalmente quando si lancia un eseguibile, il processo che si genera ha uid e gid dell utente che lancia il file. sticky: l immagine del processo rimane in memoria anche dopo la sua terminazione (es: comandi più frequenti). File system di Unix Metodo di allocazione ad indice Blocco: unità elementare di allocazione (da 512 a 4096 byte). Partizionamento del disco in blocchi. Realizzazione del file system attraverso la suddivisione del disco in 4 regioni: Boot Block Super Block I-list Data blocks. Boot block Super block I-list Data blocks

15 File system di Unix Boot block: contiene le procedure di inizializzazione del sistema. Super block contiene: i limiti delle 4 regioni. il puntatore a una lista dei blocchi liberi. il puntatore a una lista degli i-node liberi Data blocks: area effettivamente disponibile per la memorizzazione dei file. I-list: contiene la lista di tutti gli i-node del file system (accesso con l indice i-number). I-node I-node: è il descrittore del file. Attributi contenuti nell i-node: tipo del file (ordinario, direttorio, speciale). proprietario, gruppo. dimensione. data dell ultima modifica. 12 bit di protezione. numero di links. 13 indirizzi di blocchi.

16 Indirizzamento L allocazione del file non è fisicamente su blocchi contigui. 13 indirizzi di cui: 10 indirizzi di blocchi di dati (0-9). 11 indirizzo contenente l indirizzo di un blocco dove sono registrati gli indirizzi di blocchi di dati. 12 indirizzo (secondo livello di indirettezza). 13 indirizzo (tre livelli di indirettezza). Se la dimensione di un blocco è di 512 byte, con indirizzi su 4 byte, un blocco contiene 128 indirizzi. Capacità di indirizzamento: * *128*128 Dimensione massima di un file dell ordine del Gbyte. Gestione dei file System call creat: cerca spazio sul disco. inserisce il descrittore nel direttorio identificato dal pathname del file. inserisce nel descrittore l indirizzo fisico, gli attributi e il metodo di accesso. system call delete: rilascia lo spazio su disco. cancella il descrittore dal direttorio. System call open: porta in memoria il descrittore del file in un apposita tabella. restituisce l identificatore di file, che corrisponde alla posizione del descrittore nella tabella.

17 Gestione dei file System call close: il descrittore del file, eventualmente modificato, è ricopiato su disco. System call get attributes: fornisce gli attributi del file. System call set attributes: modifica gli attributi del file. System call rename: cambia il nome del file. System call read e write: dipendono dal metodo di accesso. Informazioni necessarie: identificatore del file, area di memoria dove inserire o prelevare i dati, identificatore del blocco interessato al trasferimento (dipende dal metodo di accesso). Gestione dei file in Unix Assenza di strutturazione: file = sequenza di byte I/O pointer : posizione corrente all interno del file. Accesso: sequenziale diretto Varie modalità di accesso: lettura, scrittura, lettura/scrittura, etc. Accesso subordinato all operazione di apertura.

18 File descriptor Ogni processo gestisce una tabella dei file aperti (generalmente max 20). Ogni elemento della tabella rappresenta un file aperto dal processo ed è individuato da un indice intero (file descriptor). 0, 1, 2 individuano rispettivamente standard input, output error (aperti automaticamente alla creazione di un processo). La tabella dei file aperti di un processo è allocata nella user kernel area. Gestione dei file Nella tabella dei file aperti vi è un elemento per ogni apertura : a processi diversi che accedono allo stesso file, corrispondono entry distinte. Ogni elemento contiene il puntatore alla posizione corrente (I/O pointer): più processi possono accedere contemporaneamente allo stesso file, ma con I/O pointer diversi. L operazione di apertura provoca la copia dell i-node in memoria centrale La tabella dei file attivi contiene gli i-node di tutti i file aperti. Il numero dei record è pari al numero di file aperti. Sistema PA fd Tabella dei file attivi i-node PB fd I/O pointer I/O pointer Tabella dei file aperti di sistema Memoria di massa

19 System call: open e creat Apertura: creat, open. L apertura di un file provoca: l allocazione di un elemento nella prima posizione libera dalla tabella dei file aperti del processo. l inserimento di un nuovo record nella tabella dei file aperti di sistema. la copia dell i-node nella tabella dei file attivi (se il file non è già stato aperto da un altro processo). Apertura di file già esistenti: int fd, flags; char *nomefile; fd=open(nomefile,flags); flags esprimono le modalità di accesso: O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR etc. definite in fcntl.h. fd = file descriptor. System call: open e creat Apertura di nuovi file: fd=creat(nomefile,perm); perm rappresenta i 12 bit di protezione. se un file esiste già viene sovrascritto. Esempio: #include <fcntl.h> #define PERM 0744 main() int fd; if(fd=open( /home/miofile,o_rdonly)<0) printf( Il file non esiste\n ); fd=creat( /home/miofile,perm); /*Accesso a file*/...

20 System call: read Lettura e scrittura di file Accesso attraverso la specifica del file descriptor. Ogni operazione di lettura o scrittura agisce sequenzialmente sul file, a partire dalla posizione corrente del puntatore (I/O pointer). Possibilità di alternare operazioni di lettura e scrittura. Atomicità delle singole operazioni. Read: int fd,n,let; char *buf; let=read(fd,buf,n); buf: area in cui trasferire i byte letti. let: numero di byte effettivamente letti. È previsto un EOF (^D) System call: write Write: int fd,n,scritti; char *buf; scritti=write(fd,buf,n); se scritti è < n errore Esempio: #include <fcntl.h> main() int fd,n; char buf[10]; if (fd=open( /home/miofile,o_rdonly)<0) printf( Il file non esiste\n ), exit(-1); while ((n=read(fd,buf,10))>0) write(1,buf,10); /*scrittura su stand. output */...

21 System call: lseek Accesso diretto: per spostare l I/O pointer: int fd,offset,origine,dest; dest=lseek(fd,offset,origine); offset = spostamento in byte dall origine. origine: 0 inizio file, 1 posizione corr., 2 fine file. Chiusura file: int fd,rit; rit=close(fd); rit = risultato dell operazione. Esempio: #include<fcntl.h> main() int fd,n; char buf[10]; if(fd=open( /home/miofile,o_rd WR)<0)... lseek(fd,-3,2);... close(fd); Pipe: System call: pipe int fd[2],retval; retval=pipe(fd); fd vettore di due elementi interi, fd[0] identifica il file aperto in lettura, fd[1] in scrittura. Comunicazione con pipe nell ambito della gerarchia di processi. Strumenti di lettura e scrittura read() e write().

22 System call: pipe Esempio: #include<stdio.h> char *buf= Ciao ; main() int fd[2], rit, pid, n; rit=pipe(fd); if((pid=fork())!=0) /*padre*/ close(fd[0]); write(fd[1],buf,5); close(fd[1]); else close(fd[1]); read(fd[0],buf,5); printf( Ho letto %s dalla pipe \n,buf); close(fd(0)); System call: link e unlink Link: char *oldpath, *newpath; int rit; rit=link(oldpath,newpath); oldpath è un nome simbolico del file (preesistente); newpath è il nuovo nome che si desidera assegnare al file. rit valore restituito (-1 errore). Unlink: decrementa il numero di link dell i-node; se è 0 provoca la cancellazione del file. char *path; int rit; rit=unlink(path);

23 Comandi Sintassi del tipo: nome comando [opzioni] [argomenti]. esempio: ls -la /usr/anna Comandi di interazione con il file system: gestione dei file e dei direttori. Comandi di gestione del sistema: informazioni sulle risorse modifica di dati di sistema Standard input Comando Standard error Standard ouput Redirezione e piping Comandi filtro: elaborano dati dallo standard input producono risultati sullo standard output. more, sort, grep, head, tail. E possibile deviare standard input, output e error di un comando su file usando i caratteri <, >, >>: < redirezione dello standard input > redirezione dello standard output >> redirezione in append dello standard output 2> redirezione dello standard error. È possibile deviare lo standard output di un comando nello standard input di un altro con il comando: comando1 comando2 i due comandi vengono eseguiti in parallelo.

24 Esecuzione dei comandi Per ogni comando da eseguire la shell crea una shell figlio, dedicato all esecuzione del comando. Esecuzione in foreground: il padre si sospende in attesa della terminazione del figlio. Esecuzione in background: il padre continua la propria esecuzione in parallelo con il figlio. Esecuzione comandi: schema implementativo do <accettazione comando> <interpretazione comando> pid=fork(); if (pid==0) /*figlio*/ execl(<comando>); exit(-1); else /*padre */ if (<foreground>)) wait (&status); while(!eof) /*fine ciclo*/

25 Redirezione: schema implementativo... pid=fork(); if (pid == 0) /* figlio */ if (<redirezione input>) close(0); open(<filein>,o_rdonly); execl(<comando>); exit(-1);... Piping: schema implementativo... pipe(fd); pid1=fork(); if (pid1==0) /*1^ figlio*/ close(1); dup(fd[1]); execl(<comando1>); else pid2=fork(); if (pid2 ==0) /*2^ figlio */ close(0); dup(fd[0]); execl(<comando2>); else /* padre */